一种用于无人机的反重力热管风冷式燃料电池堆及无人机制造技术

本发明专利技术提供一种用于无人机的反重力热管风冷式燃料电池堆及无人机，其中反重力热管风冷式燃料电池堆包括：燃料电池组，安装在无人机的机身壳体顶部；反重力热管，包括依次连接构成环路的蒸发器、蒸汽管路、冷凝器、以及液体管路，蒸发器安装在燃料电池之间，冷凝器位于蒸发器的下方且延伸至机身壳体外；第一风机，安装在机身壳体内，面对反重力热管送风；第二风机，面对燃料电池组送风，提供电化学反应所需的空气。在无人机运行过程中，燃料电池产生的热量会经蒸发器和蒸汽管路传递至冷凝器，冷凝器利用第一风机在机身壳体内送风产生的强制对流及无人机运行时外界空气的自然对流来进行换热，可有效将热量散发到空气中，实现燃料电池堆的散热。料电池堆的散热。料电池堆的散热。

【技术实现步骤摘要】
一种用于无人机的反重力热管风冷式燃料电池堆及无人机


[0001]本专利技术涉及燃料电池热管理领域，具体涉及一种用于无人机的反重力热管风冷式燃料电池堆及无人机。

技术介绍

[0002]燃料电池是将化学能等温转化成电能的电化学装置。因为不需要加热，不需要卡诺循环，所以不需要太多的热量，而且能量转换效率很高，无污染，无硫化物、氧化氮等有害物质的排放。正是因为有了这样的优势，燃料电池的发展才得到了世界上所有国家的承认，被认为是新世纪最好的无污染、高效的能源技术。
[0003]燃料电池的反应速率和电极催化活性都与温度有关。在较低的温度下，燃料电池的反应速率会变慢，电极上的催化剂活性也会降低，从而影响输出功率；在较高的温度下，燃料电池的材料容易受损，从而影响寿命。显然，燃料电池只有在一个很小的温度区间才能获得最好的表现，超过这个阈值的温度将严重地影响到这类系统的工作效率和使用寿命。因此，如何有效地控制燃料电池组的热流，将直接关系到新能源技术在电池组的实际使用。
[0004]质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)是一种新型的燃料电池。PEMFC的电解质是全氟磺酸类固体化合物，电催化剂是以铂/碳，氢等作为燃料，高纯度氧和空气作为氧化剂，辅以镶有气体流道的石墨或表面改性的金属板制成双极板。在催化剂的作用下，阳极催化层中的氢气发生电极反应，该电极反应生成的电子路径电路达到阴极，H+则穿过质子交换膜，进入阴极。在正极上，氧和氢离子和电子反应产生水，这些水并没有对电解液进行稀释，而是随着反应废气从电极上排放出去。
[0005]PEMFC具有许多优点，如可在室温下高速启动、无电解液损耗、容易排出水、使用时间长、功率和能量较高等。因此，它不但可以用来建造独立的发电站，还可以用来制造便携式发电站，是不需要空气作为动力的潜水艇和电动车的理想选择。PEMFC的最优工作温度通常为60℃
‑
80℃。当PEMFC达到最大效率时，其对应的能量转化能力约为40％；在低功耗的情况下，该系统的转换效率约为60％。所以，在PEMFC的工作过程中，为了使其维持一个恒定的温度，需要将40％
‑
60％的热量排出。
[0006]目前，在PEMFC中，普遍使用的散热方法为冷却剂循环散热。如果使用水作为冷却剂，那么就需要使用去离子水，它对水的电导有很高的要求。当水被污染后，随着电导率的升高，就会在电池组的冷却水路径的公共管道中发生少量的电解，这给电池的运行带来了很大的安全风险。此外，还会产生一定的内漏气，从而降低电池组的能量转换效率。如果使用水和乙二醇综合液，将会增加冷却集的电阻，使冷却剂的比热容会下降，循环量会增加。此外，冷却剂一旦被金属离子所污染，其去除的难度要比纯水要大得多。
[0007]燃料电池组的热管理方法多种多样，如采用气液两相流、分散型、相变型等，应综合考虑技术与经济性，对其进行合理的热管理。
[0008]一种典型的热管的基本构造是：一个密闭的抽空管道，管道内有一个与之相连接的毛细管道，管道中有一个与流体相连接的孔洞，而管道内的空隙则被工质饱和水蒸气所
填满。一根热管可分为三个工作区域：蒸发区域、绝热区域和冷凝区域。热管的工作机理可以这样表述：当热管的蒸发部分被加热时，位于其内部的毛细核心内的工质吸收了热能而被蒸发，然后在较小的压力下流向冷凝区，在冷凝区凝结为液体并释放出能量，液体工质又在毛细压力的影响下被返回到蒸发部分，从而完成了从热管蒸发部分到冷凝区的能量转移。
[0009]另一种典型热管是环路热管，其工作机理是在其毛细芯、储液腔和输液腔内充满工质，同时在蒸发器槽道、冷凝器和蒸气管道内形成两相流动。在某一特定的热负荷作用下，热流从蒸发器壁向蒸发器槽内传递，蒸发器槽内的液体工质因毛细核心直径大、小孔直径大，导致其热阻力大，贮液室内的温度和压力都比蒸发器槽道低，毛细核心的毛细作用力使蒸气无法从蒸发器槽道流入贮液室，当蒸气温度和压力升高时，蒸气从蒸发器槽道内抽出，再通过蒸气管道将液化气压缩到冷凝器内。
[0010]常规热管在正常运行时，往往会受到外部条件的影响，在一些极端条件下，其换热性能可能会急剧下降，甚至无法运行。在该工况下，热管循环以毛细孔内的毛细力为驱动，在运行时，必须克服多种阻力，才能保证足够的液体工质被输送到蒸发区，否则，将造成蒸发区干涸，甚至整个热管都会被破坏。在地表使用中，当热管处于竖直位置时，在蒸发器和凝结段气瓶之间，其重力作用与液体工质流的运动方向正好相反，因而对热管的作用几乎可以忽略不计。在热管水平布置时，由于重力作用于工质上，使其在热管上形成一个与热管平行的分力，而在蒸发区处于凝结区以下，该分力与毛细作用力一致，既有利于工质的倒流，又有利于热管的换热，从而大幅提高热管的极限换热能力，这就是“重力助动”工况。在这种情况下，引力可以取代毛细作用力，从而使热管无需毛细核心，这种依靠引力工作的热管被称作“热虹吸管”。当热管的汽化部分高于凝结部分时，由于产生了与毛细作用相反的重力分作用，使工液无法再倒流，这种情况被称为“逆重力”或“反重力”。在反重力工作条件下，蒸发段和冷凝段的高度差即反重力高度，对热管的换热性能有直接的影响，这个高度越大，毛细芯中的工质的重力压差就会越大，毛细芯泵送的工质量就会变得更少，而热管的换热能力也会变得更少。当这种高程差异扩大到毛细力不能克服地心引力和其它阻力的联合时，热管就会失去作用。与传统热管相比，反重力热管具有许多优势，比如：它具有较高的导热能力，不受输液管或蒸汽管布局限制的长距离传热能力，在不同重力加速度下工作的能力，输液管中无毛细芯，由于工质气液两相分离而不存在携带限制等。
[0011]无人驾驶飞机在救灾、摄影、军事等领域有着重大的应用。如何保证无人驾驶飞机的高效率、高稳定性，是研发人员面临的一个巨大挑战，尤其是如何对多旋翼无人机的燃料电池进行热量管理，将会对燃料电池的工作时长和功率产生很大的影响。

技术实现思路

[0012]本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种用于无人机的反重力热管风冷式燃料电池堆及无人机。
[0013]本专利技术提供了一种用于无人机的反重力热管风冷式燃料电池堆，具有这样的特征，包括：燃料电池组，安装在无人机的机身壳体顶部；反重力热管，包括依次连接构成环路的蒸发器、蒸汽管路、冷凝器、以及液体管路，蒸发器安装在燃料电池组的燃料电池之间，冷凝器位于蒸发器的下方且延伸至机身壳体外；第一风机，安装在机身壳体内，面对反重力热
管送风，以形成强制对流；以及第二风机，安装在燃料电池组上，面对燃料电池组送风，提供电化学反应所需的空气；其中，冷凝器利用强制对流及无人机运行过程中外界空气的自然对流来进行换热。
[0014]在本专利技术提供的用于无人机的反重力热管风冷式燃料电池堆中，还可以具有这样的特征：蒸发器包括储液室和蒸发室，储液室与液体管路连接，储液室内储存有工质，蒸发室与蒸汽管路连接，蒸发室内设有毛细芯，室壁上设有蒸汽槽道。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于无人机的反重力热管风冷式燃料电池堆，所述无人机具有机身壳体，其特征在于，包括：燃料电池组，安装在所述机身壳体的顶部；反重力热管，包括依次连接构成环路的蒸发器、蒸汽管路、冷凝器、以及液体管路，所述蒸发器安装在所述燃料电池组的燃料电池之间，所述冷凝器位于所述蒸发器的下方且延伸至所述机身壳体外；第一风机，安装在所述机身壳体内，面对所述反重力热管送风，以形成强制对流；以及第二风机，安装在所述燃料电池组上，面对所述燃料电池组送风，提供电化学反应所需的空气；其中，所述冷凝器利用所述强制对流及所述无人机运行过程中外界空气的自然对流来进行换热。2.根据权利要求1所述用于无人机的反重力热管风冷式燃料电池堆，其特征在于：其中，所述蒸发器包括储液室和蒸发室，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：常子轩，范毅，姜未汀，施正荣，于森，张卫青，刘硕，
申请(专利权)人：上海电力大学，
类型：发明
国别省市：